2015/2016年超强El Niño局地海气特征及其特殊性

张文君,耿新

南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044

2015/2016年超强El Niño局地海气特征及其特殊性

张文君,耿新

南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044

2016-08-25收稿，2016-10-24接受

国家自然科学基金资助项目(41675073);国家公益性行业(气象)专项(GYHY20150613;GYHY20140622);江苏省高校自然科学研究资助项目(13KJB170013);江苏省青蓝工程和六大人才高峰项目

利用NOAA海表温度和NCEP/NCAR大气环流等全球再分析资料,讨论了2015/2016年超强El Niño事件局地海气过程的演变特征,并与1982/1983和1997/1998年两次强El Niño事件做了对比分析。结果表明,2015/2016年El Niño在峰值强度、持续时间、累计海温距平等指标上都略强于前两次El Niño,可视为有完整气象观测纪录以来的最强事件;与前两次事件相比,2015/2016年El Niño海温异常中心位置明显偏西,热带东太平洋海温相对较冷而中太平洋更暖,由于热带对流对海温的非线性响应,赤道东太平洋降水相对较弱,中太平洋则显著偏多,这在El Niño当年12月至次年4月尤为明显;此外,在前两次El Niño的成熟期至衰减期,中太平洋大气响应都存在明显的南移特征,西风异常和对流中心都从赤道南移到了5°S以南。而2015/2016年中太平洋大气响应一直位于赤道附近,南移特征相对较弱,ENSO和年循环相互作用的组合模态相比前两次较弱,西北太平洋反气旋的强度也弱于前两次。这主要是由于2015年冬季至2016年春季,热带太平洋暖海温异常位置偏西,中太平洋海温异常明显强于前两次,叠加气候平均态海温之后,赤道南北两侧海温都高于对流阈值,对流旺盛,这大大削弱了大气响应的经向移动和ENSO组合模态的强度。

2015/2016年超强El Niño

ENSO组合模态

大气响应南移西北太平洋反气旋

ENSO(El Niño-Southern Oscillation)是热带太平洋海洋与大气年际变率的最主要模态,一般以2～7 a周期循环往复,其发生不仅直接导致热带太平洋地区的天气气候异常,还能通过遥相关的方式影响热带外乃至全球的气候系统(Rasmusson and Carpenter,1982;Philander,1983;翟盘茂等,2003;Zhang et al.,2013,2014)。例如,当ENSO处于暖位相(即El Niño)时,热带西北太平洋出现的异常反气旋环流会对东亚季风造成显著影响(Li,1990;Zhang et al.,1996;陈文,2002)。关于西北太平洋反气旋异常的形成机理目前仍存在一些争议,有观点认为是热带西太平洋冷海温的大气响应(Wang et al.,2000),也有研究工作指出滞后ENSO的印度洋延迟效应是该反气旋异常产生的关键(吴国雄和孟文,1998;Yang et al.,2007;Xie et al.,2009,2016)。最新的研究发现,ENSO变率与年循环存在着相互作用(被称作ENSO组合模态),这一相互作用现象能被热带太平洋表面风场的第二模态所反映(Stuecker et al.,2013)。进一步的研究指出ENSO组合模态可能是西北太平洋反气旋和中国降水异常的产生原因(Stuecker et al.,2013,2015;Zhang et al.,2016)。与El Niño事件相联系的太平洋局地海气异常及其对全球的气候影响在超强El Niño年尤为剧烈,例如1983年东南亚大范围的严重干旱和1998年我国长江和松花江流域出现的特大暴雨洪涝都与前期冬季热带中东太平洋的超强El Niño事件有关(黄海燕等,2016;袁媛等,2016)。

监测结果表明,继1982/1983和1997/1998年冬季之后,2015/2016年冬季热带中东太平洋又发生了一次超强El Niño事件(Levine and McPhaden,2016;邵勰和周兵,2016),受此影响,全球多地出现了强度不等的天气气候异常。就我国而言,2015年夏季华北、河套地区出现了严重干旱,秋季华南地区降水持续性偏多,12月中东部频繁遭遇大范围雾霾天气过程等(刘屹岷等,2016;聂羽等,2016;翟盘茂等,2016)。鉴于超强El Niño事件的深远影响,同时为了更全面系统地认识这次El Niño事件,本文将详细分析2015/2016年El Niño事件局地海气异常的演变过程,并着重讨论本次超强El Niño事件与前两次事件相比的特殊之处,以期为后续预测及对东亚的气候影响提供参考。

1 资料和方法

本文采用的资料主要包括:1)美国国家大气海洋管理局(NOAA)拓展重建的全球月平均海表温度数据集(ERSST v4),分辨率为2°×2°(Huang et al.,2015);2)美国国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的全球月平均10 m水平风场和海平面气压场(Kalnay et al.,1996);3)NOAA提供的美国气候预测中心(CPC)CMAP全球月平均降水数据,分辨率为2.5°×2.5°(Xie and Arkin,1997)。所有资料的时间跨度皆为1979年1月至2016年5月。

本文主要采用合成分析、组合变量经验正交函数分解(MV-EOF)(王盘兴,1981)等常用的气候诊断和统计方法。为避免全球变暖趋势和其他长时间尺度变率的可能影响,计算前首先扣除了数据的线性趋势,之后再通过扣除气候平均场得到各气象要素的距平数据用于研究,气候平均场为研究时段中逐月的多年平均值。值得注意的是,受对流资料长度所限,本文用降水来粗略地表示热带对流。采用Nio3.4指数(即170～120°W、5°S～5°N区域平均的海温距平序列)作为El Nio事件的监测指标,重点讨论3次超强El Nio事件的局地海气过程。印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD)指数定义为赤道印度洋西部(50～70°E,10°S～10°N)和东部(90～110°E,10°S～0°)平均海温距平差(Saji et al.,1999);印度洋全区一致(Indian Ocean Basin Wide,IOBW)模态指数定义为热带印度洋(40～110°E,20°S～20°N)区域平均的海温距平(Yuan et al.,2012),西北太平洋反气旋指数定义为(120～150°E,10°S～10°N)区域平均的海平面气压场(Wang et al.,2000)。为了描述方便,文中的1979年冬季指1979/1980年冬季,year(0)/year(1)为El Nio事件的当年/次年。

图1 3次超强El Nio事件Nio3.4指数(单位:℃)的时间演变Fig.1 Temporal evolutions of the Nio3.4 index(units:℃) during the three super El Nio events

2 热带海温和对流特征及其差异

表1 3次超强厄尔尼诺事件各指标对比

Table 1 Comparison of the indices for the three super El Nio events

开始时间持续时间/月峰值强度/℃累计海温距平/℃1982/19831982年6月122.0215.931997/19981997年5月122.2119.372015/2016(截止2016年5月)2015年4月142.2319.61

图2a—2c给出了热带(5°S～5°N)印度洋和太平洋海温距平的时间—经度季节演变,3次超强El Nio事件的暖异常均开始于日界线以西,然后逐渐东传至赤道中东太平洋,而热带西太平洋海温偏低。增暖的赤道中东太平洋存在异常沃克环流上升支,对流活动加强,降水偏多,而异常沃克环流在西太平洋下沉,对流活动受抑制,降水偏少。在El Nio发展期的夏秋季,热带印度洋海温异常表现为东冷西暖的偶极分布,而在El Nio成熟期至衰减期,IOD被IOBW取代。这些特征与对El Nio事件的传统认识基本吻合。为了研究2015/2016年超强El Nio相比前两次事件的特殊性,图2d给出了2015/2016年超强El Nio海温和降水距平与前两次事件的差异分布。通过对比3次El Nio事件海温距平的时间演变特征(图2a—2c),结合图2d不难发现,相比前两次事件,2015/2016年El Nio期间热带印度洋海温明显更暖,对流活动也相对偏强,尤其是发展期的夏秋两季。

为更好地说明海温和对流的关系,以热带中太平洋(160°E～160°W,5°S～5°N)为例,绘制了逐年冬春季平均的海温与降水异常的散点图(图4),从他们之间的线性相关系数(0.87,通过了0.01信度的显著性检验)来看,海温与降水异常存在显著正相关,说明下界面海温越高,赤道中太平洋对流越强。然而图4中的2次拟合线表明两者更是呈一个非线性的抛物线关系,降水对海温的增长速率大概可分为两部分,当海温小于28.8 ℃左右时,降水异常基本都是负值,对流被抑制。同时其斜率较小,对流随海温增加而增加的幅度较小;而海温一旦超过这个阈值后,降水异常基本都是正异常。同时对流随海温增加的幅度大大增大,基本呈非线性快速增长。也就是说总海温与对流之间存在非线性关系,对流不仅取决于海温异常,也决定于总海温。这也与前人的研究结果一致(Gadgil et al.,1984;Hoerling et al.,1997;李海燕等,2016a)。由于北半球冬春季热带中太平洋气候态海温接近28.7 ℃,在2015/2016年El Nio海温异常明显偏西的情况下,中太平洋也存在明显的正异常海温,海温升高并超过了对流阈值,对流大大增强,因而降水异常增加,比1982/1983和1997/1998年同期偏多了1倍左右。

3 ENSO和年循环相互作用的组合模态及其差异

图2 1982/1983(a)、1997/1998(b)、2015/2016(c)超强El Nio期间热带(5°S～5°N)海温(阴影,单位:℃)和降水(等值线,单位:mm/d)异常的时间—经度分布及(d)2015/2016年超强El Nio期间热带海温和降水异常与1982/1983和1997/1998年两次事件平均异常的差异(等值线间隔为3 mm/d,零线未画出)Fig.2 Time-longitude evolution of SST(shading;units:℃) and precipitation(contours;units:mm·d-1) anomalies in the tropical ocean during the (a)1982/1983,(b)1997/1998 and (c)2015/2016 super El Nio events,and (d)the difference in SST(shading;units:℃) and precipitation(contours;mm·d-1) anomalies between the 2015/2016 super El Nio and the average of the 1982/1983 and 1997/1998 anomalies(contour interval is 3 mm·d-1 with the zero isoline omitted)

图3 3次超强El Nio事件期间标准化IOD(a)和IOBW指数(b)的时间演变Fig.3 Temporal evolution of the normalized (a)IOD(Indian Ocean Dipole) and (b)IOBW(Indian Ocean Basin-wide) indices during the three super El Nio events

图4 赤道中太平洋(160°E～160°W,5°S～5°N,)冬春季(DJFMA平均)海表温度(单位:℃)与降水异常(单位:mm/d)的散点图(绿点代表1982/1983年,红点代表1997/1998年,黑点代表2015/2016年)Fig.4 Scatter plot of SST(℃) and precipitation anomalies(mm·d-1) over the equatorial central Pacific(5°S—5°N,160°E—160°W) during boreal winter and spring(December—April mean),in which the green,red and black dots represent the values of 1982/1983,1997/1998 and 2015/2016,respectively

图5 1982/1983(a)、1997/1998(b)和2015/2016(c)超强El Nio事件期间中太平洋(160°E～160°W)的降水距平(阴影,单位:mm/d)和10 m风场距平(箭矢,单位:m/s)随纬度—时间的逐月演变Fig.5 Latitude-time evolution of precipitation(shading;units:mm·d-1) and 10 m wind(vectors;units:m·s-1) anomalies in the central Pacific (160°E—160°W) during the (a)1982/1983,(b)1997/1998 and (c)2015/2016 super El Nio events

图6 热带太平洋(120～270°E,10°S～10°N) 10 m风场MV-EOF第一模态标准化时间系数PC1(a)、第二模态标准化时间系数PC2(b)与原距平场回归系数的空间分布以及3次超强El Nio事件期间PC1(c)和PC2(d)的时间演变(a和b中的深浅阴影分别表示10 m纬向风的回归系数通过了0.1以上的信度检验)Fig.6 Regression pattern of the 10 m monthly wind anomalies upon normalized time coefficients for the (a)first and (b)second MV-EOF modes(i.e.,PC1 and PC2) of 10 m wind over the tropical Pacific(10°S—10°N,120—270°E),and the temporal evolution of (c)PC1 and (d)PC2 during the three super El Nio events[shading in (a,b) represents the 10 m zonal wind anomalies above the 90% confidence level]

图7 3次超强El Nio事件期间菲律宾反气旋指数(单位:hPa)的时间演变Fig.7 Temporal evolution of the anomalous Philippine Sea anticyclone index(hPa) during the three super El Nio events

在中太平洋大气响应表现出不同特征的情况下,ENSO组合模态又会表现出何种差异呢?为回答这一问题,对赤道太平洋地区(120°E～90°W,10°S～10°N)的10 m风场进行MV-EOF分析。如图6所示,第一模态反映了典型的El Nio风场响应结构,即赤道中太平洋显著西风异常和东印度洋显著东风异常,是一个相对赤道成经向对称分布的空间型。EOF1的时间系数(PC1)与Nio3.4指数表现出高度一致性,其相关系数高达0.83。因此将EOF1称为ENSO风场模态。与EOF1不同,第二模态异常风场在赤道两侧几乎成反对称的结构(图6b),表现为西北太平洋异常反气旋和东南太平洋异常气旋的风切变结构。该模态本质上是ENSO变率与背景海温年循环相互作用的结果,因此称之为ENSO组合模态,其时间系数(PC2)存在着两个显著的主周期(8月和15月附近,图略),这些结果也与前人的研究相一致(Stuecker et al.,2013;李海燕等,2016b;Ren et al.,2016;Zhang et al.,2016)。图6c、6d则给出了3次超强El Nio期间PC1和PC2的时间演变曲线,从中可以看出,3次事件ENSO风场模态都在当年冬季成熟,随后衰减,峰值强度都在3个标准差附近,基本呈现出一致的演变特征。而ENSO组合模态却存在一些差异,虽然初冬时节PC2都出现了由负到正的位相转换,但转正位相之后的峰值差异明显,2015年冬季至次年春季的组合模态强度明显弱于1982和1997年同期。这也是与2015/2016年热带中太平洋西风南移的强度偏弱相对应的。由于西北太平洋反气旋是ENSO组合模态的一个重要特征,故特别关注了3次超强El Nio年西北太平洋反气旋的强度差异(图7),与ENSO组合模态和中太平洋西风南移特征对应,2015年冬季至2016年春季,西北太平洋反气旋的强度也弱于前两次El Nio。

为了进一步回答2015/2016年ENSO组合模态或中太平洋大气响应南移与前两次超强El Nio存在差异的原因,给出了北半球冬春季(DJFMA)平均的气候态海温和2015/2016年El Nio异常海温的空间分布(图8a)。从多年平均的气候态角度来看,受太阳直射点的影响,此时高于对流阈值的暖海温几乎都位于赤道南侧,对流很活跃,而赤道北侧海温低于对流阈值28.8 ℃,对流受到抑制。而1982/1983和1997/1998年两次El Nio发生时,异常海温主要位于赤道东太平洋,对赤道中太平洋的影响很小,故中太平洋仍然是南高北低的海温分布,且只有赤道南侧的海温高于对流阈值。而在此之前,太阳直射点位于赤道上,气候态海温及大气响应一般关于赤道准对称分布(图略；李海燕等,2016a;Zhang et al.,2015),因此冬春季热带中太平洋会出现大气响应得向南移动。与此不同的是,2015/2016年El Nio异常海温位置偏西,受其影响,冬春季中太平洋海温明显增加,使得赤道南北两侧海温都高于对流阈值,对流都能得到加强,因此大气响应的南移现象较弱(图8b—8d)。

4 结论

继1982/1983和1997/1998年超强El Nio事件之后,2015/2016年赤道中东太平洋又发生了一次超强El Nio事件,基于最新的海表温度和大气资料,简要分析了该次事件的局地海气过程,并将其与前两次超强El Nio事件做了对比研究,主要得到以下结论:

直位于赤道附近,南移特征相对较弱,ENSO组合模态和西北太平洋反气旋的强度也弱于前两次。ENSO组合模态的偏弱与El Nio异常海温的纬向位置密切相关。2015年冬季至2016年春季,El Nio海温异常的中心位置明显偏西,热带中太平洋的暖海温异常显著强于前两次,叠加气候平均态的海温之后,赤道南北两侧的海温都高于对流阈值,对流旺盛,这大大削弱了ENSO大气响应的经向移动和组合模态的强度。

本研究仅从局地海气过程角度探讨了2015/2016年超强El Nio与1982/1983和1997/1998年El Nio的不同特征,重点关注了El Nio冬春季中太平洋大气响应南移现象。考虑到ENSO局地海气过程的异常特征对El Nio事件的预测和自身发展演变具有重要影响(任宏利等,2016),同时由于ENSO组合模态是El Nio影响东亚气候的关键因子(Zhang et al.,2016),其强度的差异势必造成不同的气候响应,后续研究将深入探讨这些问题。

图8 北半球冬春季(DJFMA)气候态海温(阴影,单位:℃)、2015/2016年超强El Nio异常海温(黑色等值线,单位:℃)及1982/1983和1997/1998年两次超强El Nio平均异常海温(绿色等值线,单位:℃)的空间分布(a)和同期1982/1983(b),1997/1998(c)和2015/2016(d)超强El Nio的平均原始海温(阴影,单位:℃)、降水异常(等值线,单位:mm/d)及10 m风场异常(箭矢,单位:mm/d)的空间分布Fig.8 (a)Climatological SST(shading;units:℃),SST anomalies in 2015/2016(black contours;units:℃) and SST anomalies in 1982/1983 and 1997/1998(green contours;units:℃) during boreal winter and spring(December—April mean);SST(shading;units:℃),precipitation(contours;units:℃) and 10 m wind(vectors;units:m·s-1) anomalies during boreal winter and spring(December—April mean) in the (b)1982/1983,(c)1997/1998 and (d)2015/2016 super El Nio events

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Characteristics and particularity of local air-sea processes for the 2015/2016 super El Nio event

ZHANG Wenjun,GENG Xin

KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China

Based on the latest monthly global reanalyzed NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration) sea surface temperature(SST) and NCEP(National Centers for Environmental Prediction)/NCAR(National Center for Atmospheric Research) atmospheric circulation data,we analyzed the characteristics of the local air-sea processes for the 2015/2016 super El Nio event,and the differences with previous(1982/1983 and 1997/1998) super El Nio events are also discussed.

Further analyses reveal that these particular phenomena in the 2015/2016 super El Nio were the consequence of the westward shift of the SST anomaly in the tropical central Pacific from winter 2015 to spring 2016.The relatively cold climatological SST north of the equator increased and exceeded the convection threshold,which favored the convection activities both south and north of the equator and led to the weakened meridional movement of the atmospheric responses.

(责任编辑：孙宁)

张文君,耿新,2016.2015/2016年超强El Nio局地海气特征及其特殊性[J].大气科学学报,39(6):778-787. Zhang W J,Geng X,2016.Characteristics and particularity of local air-sea processes for the 2015/2016 super El Nio event[J].Trans Atmos Sci,39(6):778-787.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160825001.(in Chinese).

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20160825001

*联系人，E-mail:zhangwj@nuist.edu.cn